Summary
En protokol for at fabrikere en enhed til samtidig tørring flere optiske celler er præsenteret.
Abstract
Optisk celler, som er eksperimenterende instrumenter, er små, firkantede rør forseglet på én side. En prøve er placeret i dette rør, og en måling udføres med en spektroskopet. Materialer til optisk celler generelt omfatter kvarts glas eller plast, men dyre quartz glas er genbruges ved at fjerne stoffer, undtagen væsker, der skal analyseres der overholder indre af beholderen. I sådanne tilfælde er de optiske celler vaskes med vand eller ethanol og tørret. Derefter, den næste prøve er tilføjet og målt. Optisk celler er tørret naturligt eller med en manuel hårtørrer. Dog tager tørring tid, hvilket gør det en af de faktorer, der øger eksperiment tid. I denne undersøgelse er målet at drastisk reducere tørretiden med en dedikeret automatisk tørretumbler, der kan tørre flere optiske celler på én gang. For at realisere dette, et kredsløb var designet til en mikrocomputer, og hardware ved hjælp af det blev selvstændigt designet og fremstillet.
Introduction
Optisk celler er brugt som laboratorieinstrumenter i en lang række felter. I life science forskning, biomolekyler nukleinsyrer og proteiner er ofte brugt til eksperimenter og spektroskopiske metoder er almindeligt brugt til kvantitative metoder. Nøjagtigt kvantificere prøven af eksperimentet er nødvendig for at opnå mere nøjagtige og reproducerbare resultater. Absorptionsspektrum fremstillet ved et spektrofotometer er ofte blevet brugt til kvantificering af biomolekyler nukleinsyrer og proteiner1,2,3,4. Forskning på thermodynamikken egenskaber skyldes ændringen i absorptionsspektrum og fotoluminescens af en kulstof nanorør (CNT) spredt ved hjælp af DNA er også blevet gennemført5,6,7, 8,9,10. Optisk celler anvendes til disse målinger, men præcise målinger kan ikke foretages, medmindre de er grundigt vasket og tørret.
Når du måler absorptionsspektre eller fotoluminescens, er det umuligt at måle præcist i snavset optisk celler11,12,13,14,15. Økonomisk disponible optisk celler lavet af polystyren og poly-methylmethacrylat bruges også til at fjerne vask og forurening. Men når præcise målinger er påkrævet, quartz glas bruges ofte, fordi de har ekstremt gode optiske egenskaber såsom lystransmissionskoefficient. I dette tilfælde, optisk cellerne vaskes efter måling af prøven og gentagne gange anvendes. Normalt, efter vask optisk celler med vand eller ethanol, er de tørret naturligt. Når der kræves hurtig tørring, er de tørret enkeltvis ved at bruge hårtørrer eller lignende udstyr. Rengøring optisk celler er en af de mest ubehagelige og tidskrævende procedurer i eksperimentet. Antallet af prøver, stiger, tørring tid stiger, hvilket til gengæld øger tid der skal gennemføre forsøg og forskning. I tidligere undersøgelser, har der ikke været rapporter om perifere enheder af optiske celler. Denne undersøgelse sigter mod at reducere tid, forskning ved tørring flere optiske celler samtidigt.
Vi undersøgt, om andre lignende produkter findes. Der findes allerede en box-type konstant temperatur hårtørrer med en temperatur kontrolfunktion og en timerfunktion; dog kan ingen kommercielle produkter med samme konfiguration findes.
Grundris af produktionen af denne enhed er beskrevet. Første er boks-Sættekasse lavet ved hjælp af en akryl plade. Nylon netting er fastgjort til toppen. Et plastik gitter er placeret på det for at løse den optiske celle. Styringskredsløbet er gemt inde i sagen, og den plastplade er knyttet til at beskytte kredsløbet fra vanddråber. Styringskredsløbet består af en CPU og styres af software. Blæsere er fastgjort til bagsiden af sagen, og vinden leveret af blæserne træder de optiske celler sat op og ned. Blæserne er aktiveret af en switch på forsiden, og de er automatisk standsede af timeren. Afhængigt af antallet af optiske celler tørres, kan to eller fire blæsere vælges for handling. Vanddråber dryp fra de optiske celler fordampe med vinden fra blæserne. Quartz cellerne vaskes med vand eller ethanol, og tørretiden er sammenlignet med naturlige tørring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. design
- Se figur 1 for detaljer af udviklingen tegning.
- Skære en 3 mm tykke akryl bord til 210 mm bredde x 60 mm i højde x 104 mm i dybden, obligation med akrylklæb og samle sag.
- Installere så mange som 30 optisk celler på 12,5 x 12,5 mm.
- Knytte kontakter og lamper til at starte og stoppe og en variabel dial for indstillingen tørring på forsiden af kabinettet.
- Se figur 2 til en ekstern visning og Komponentkonfiguration.
- Bruge akryl og nylon for kabinettet og net, henholdsvis. Lave net til rammen og knytte den til den øverste del af sagen.
- Bruge akryl til gitter af optisk-celle installation. Vedhæft den til toppen af nettet.
- Montere blæsere til bagsiden af sagen.
- Brug gennemsigtig akryl for en waterdrop forebyggelse partition.
2. hardware Design skitse
- Se figur 3 for detaljer om Ledningsdiagram.
- Trin fra 12 V-5 V af en tre-terminal regulator for driften af mikrocomputer.
- Aktivere blæsere via en NPN transistor (25 V, 500 mA).
Bemærk: Fordi outputpin mikrocomputerens er 5 V. - Kontrollere hastigheden af blæserne af pulse bredde modulation (PWM) drift af outputpin.
Bemærk: Blæseren er drevet og antallet af omdrejninger styres styrken ændres med jævne mellemrum. - Tilsluttes den digitale inputpin trykknap start.
- Tilsluttes den analoge input pin at ændre spændingen ifølge den roterende holdning blæsere drift tid indstilling volumen.
- Tilslut den økologiske lysdiode (OLED) for visningen drift tid til de to digitale output ben med en indbyrdes integrerede kredsløb (I2C).
- Tilslut de LED, der lyser op under operationen til det digitale output ben.
3. software Design skitse
- Brug en mikrocomputer til at styre blæserne.
Bemærk: Udviklingsmiljøet blev bygget ved hjælp af Arduino, som er en af de udviklingsmiljøer såkaldte open-source hardware, og alle kredsløb og software er åben for offentligheden. -
Disposition af handlingen
- Tryk på start-knappen.
- Læse tilstand for knappen angivet af select-knappen på forsiden og aktivere blæser fra denne medlemsstat.
- Læs tørretiden indstille af den variable resistor på forsiden som en spænding signal og opståen sammentælling nede tidtager.
- Drej LED lys op og vise den resterende tid på at OLED.
-
Detaljeret forklaring
- Læs positionen volumen tilsluttet det analoge input pin som en spænding; derefter, det konverterer til den blæser operationstid og viser på OLED.
- Opdage ON/OFF switch tilsluttet J1-9, 10 stifter af Ledningsdiagram når du trykker på start switch, Tænd blæsere drive pin, aktivere blæserne, og tænde LED under operationen.
- Kontrol af PWM blæsere. Afsløre placeringen af den 10-kΩ variable resistor tilsluttet Ledningsdiagram J1-5, 6, 7, og drive blæsere med de tilsvarende output.
- Afsløre placeringen af de 10 kΩ variable resistor tilsluttet kredsløbet diagrammer J1-1, 2, 3 pin ved hjælp af indstillingen tørring tid og aktivere blæserne i tid svarer til den.
- Tilsluttes nøglediagrammer J1-15, 16 pin strøm-LED'en. Tilslut start LED til nøglediagrammer J1 - 12, 13.
Bemærk: Strøm-LED'en lyser, når strømmen tændes, og start-LED'en lyser op, mens blæserne er aktiveret. - Tilslut den OLED til PB4, PB5 af CPU med en I2C.
Bemærk: Den operationstid, der vises på OLED tælles ned hvert sekund. Når operationstiden når 0, blæsere drive pin er indstillet til 0, blæserne er stoppet, og de operationelle LED er slukket til at gøre overgangen til den oprindelige standby tilstand. - Brug Adafruit SSD1306 bibliotek for en OLED-skærm af Arduino.
Bemærk: Når afbryderen aktiveres, operere i størrelsesordenen initialisering og besked display. En del af kildekoden er vist nedenfor som et eksempel på brugen af dette bibliotek.
#include "Wire.h";
#include < Adafruit_SSD1306.h >
#define OLED_RESET -1
Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);
Ugyldigt setup() {
Serial.Begin(115200);
mens (!. Seriel) {
; Vent for serielle port til at oprette forbindelse. Nødvendige for Leonardo kun
}
Wire.Begin (SDA, SCL); (SDA, SCL)
Delay(1000);
display.clearDisplay(); Rydde bufferen.
display.setTextSize(1);
display.clearDisplay();
display.Print (F ("SD")); Weake Up besked Display(Version)
display.println(ver);
display.display();
}
4. metode efter Operation
- Se figur 2 for nærmere oplysninger om den eksterne visning.
- Sluk for hovedafbryderen / nummer 10 tændt. Operation lampe af antallet 11 lyser op.
- Placer de optiske celler på mesh nummer 2 fra lattice del af plast af nummer 1.
Bemærk: Antallet af optiske celler, der kan monteres er så mange som antallet af gitre. - Vælg en to-blæser operation eller fire-blæser operation. Afhængig af kørsel situationen lyser operation lampe af nummer 5 og nummer 6.
Note: Nummer 3 er en parameter til drift af blæsere på højre side, og nummer 4 er en switch til drift af blæsere på venstre side. - Indstille driften med timer med nummer 9.
- Tur nummer 7 på.
Bemærk: Fan med nummer 12 starter, og på samme tid, operation lampe af nummer 8 lyser.
5. metode til at måle tørretiden
-
I tilfælde af naturlige tørring
- Optisk cellerne vaskes grundigt med vand eller ethanol. Brug tykt absorberende papir til at absorbere fugt af de optiske celler, derefter flytte cellerne til et andet sted på den tykke absorberende papir og vente, indtil de tørre.
-
I tilfælde af optisk-celle tørretumbler
- Optisk cellerne vaskes grundigt med vand eller ethanol.
Bemærk: Brug tykt absorberende papir til midlertidigt absorbere fugt. - Placere de optiske celler i optisk-celle tørretumbler og derefter vente, indtil de er tørre.
- Måle tørretid 3 x for hver celle.
- Optisk cellerne vaskes grundigt med vand eller ethanol.
-
Sammenligning mellem de gennemsnitlige værdier
- Måle tørring gange 3 x 30 steder at få fordelingen.
Bemærk: Dette er at opdage tidsforskellen ifølge holdning af cellerne i den optisk-celle tørretumbler. - Bruge gennemsnitsværdier af alle 30 steder for en sammenligning med vand.
Bemærk: I forbindelse med vask med vand, bestemme holdninger af de optiske celler tilfældigt, så måle tørretid på 10 point.
- Måle tørring gange 3 x 30 steder at få fordelingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i tabel 1, for så vidt angår ethanol vask, var den gennemsnitlige tørretid i naturlige tørring 426.4 s, og den gennemsnitlige tørretid i optisk-celle tørretumbler var 106 s. For vand, vask, var den gennemsnitlige tørretid i naturlige tørring 1481.4 s, og den gennemsnitlige tørretid i optisk-celle tørretumbler var 371.6 s. I begge tilfælde blev tørretiden reduceret til cirka en fjerdedel. Tørring tid fordelingen af optisk-celle tørretumbleren er vist i figur 4. Gennemsnitlig tørretid på 30 steder var 106 s. Tallet i den øverste række repræsenterer placeringen af cellen. Tallet i den nederste række repræsenterer den gennemsnitlige værdi af tørretiden.
Luftmængde af blæseren var 31 m3/h pr. én enhed, og summen af de fire enheder var 124 m3/h. Lufttemperaturen var stuetemperatur, og temperaturkontrol blev ikke udført.
Figur 1: udvikling tegning. Knytte net på toppen af sagen akryl og montere et plastik gitter for fastsættelse af de optiske celler, der er fastgjort på toppen af det. Størrelsen af sagen er 210 mm bredde x 60 mm i højde x 104 mm i dybden, og 30 optisk celler på 12,5 x 12,5 mm kan monteres på samme tid. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: eksterne Se. Materiale af kabinettet er akryl, som er nem at behandle. Materiale af nettet er nylon. Det er fastgjort til rammen og fastgjort til den øverste del af sagen. Materiale af gitter for optisk celle installation er akryl, og det er fastgjort til toppen af nettet. Antal Beskrivelse: 1 = plastik gitter, 2 = de netto, 3 = blæser valgknap (højre side), 4 = blæser valgknap (venstre side), 5 = blæser-opererer lampe (højre side), 6 = blæser-opererer lampe (venstre side), 7 = blæser Opståen knap, 8 = bl ower drift lampe, 9 = timer, 10 = forsyningen netafbryderen, 11 = power supply lampe, 12 = OLED-displayet og 13 = blæserne. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Ledningsdiagram. Strømforsyningen er 12 V. Driftsspænding af blæserne er 12 V. kontrol rotation hastigheden på blæseren ved pulse bredde modulation (PWM) drift af outputpin. Tilsluttes den analoge input pin at ændre spændingen ifølge den roterende holdning blæser drift tid indstilling volumen. Tilslut den økologiske lysdiode (OLED) for visningen drift tid til de to digitale output ben med en I2C. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: tørring tid distribution ethanoldrevne. Tørretiden på 30 steder blev målt tre gange med ethanol for at opnå distribution. Gennemsnitlig tørretid på 30 steder var 106 s. Tallet i den øverste række repræsenterer placeringen af cellen. Tallet i den nederste række repræsenterer den gennemsnitlige værdi af tørretiden. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Tabel 1: Sammenligning af tørretid for optisk celler. Gennemsnitlig tørretid af naturlige tørring efter vask med ethanol var 426.4 s, og den gennemsnitlige tørring tid ved hjælp af optisk-celle tørretumbler var 106 s. Gennemsnitlig tørretid af naturlige tørring efter vask med vand var 1481.4 s, og den gennemsnitlige tørring tid ved hjælp af optisk-celle tørretumbler var 371.6 s. venligst klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De optiske celler kan tørres samtidig med blæserne, og tørretiden kan reduceres betydeligt. Selvom handlingen stop ikke er udført, kan det sikkert stoppes ved hjælp af Stopfunktionen automatiske af timeren. Fra måleresultater af tørring tid distribution var der ingen signifikant forskel i tørretid på grund af forskellen i positionen installation af de optiske celler.
Et kritisk trin i protokollen er designet af kabinettet. Udfordringen er, hvordan man gør kabinettet kompakt. Det er også vigtigt at finde ud af, hvordan man forhindrer slippe ind blæseren overskydende ethanol eller vand.
For at reducere tørretiden, vind blæserne kan være steget, men der er en risiko for, at de optiske celler kan springe ud. For at øge blæsere kapacitet og nedsætte tørretiden, er det nødvendigt at udtænke foranstaltninger, der forhindrer dette, såsom vedhæfter et armatur for fastsættelse af de optiske celler eller vedlægge et låg til tørretumbleren til at sætte det i en boks. Der er også en metode til at øge luft starttemperatur på blæsere til at reducere tørretiden. Til dette formål er det nødvendigt at tilføje en temperatur kontrolfunktion for ikke at skade cellen optisk. Men dette er en fremtidig opgave fordi mere kompliceret enheder og kontrol kredsløb er påkrævet.
En anden måde at reducere tørretiden er at vibrere vanddråber for at gøre dem falde, men der er også en kommende forskningsemne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen anerkendelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| blower | ebm-papst | 422JN | Mulfingen, Germany |
| Microcomputer | Atmel Corporation | ATmega 328 P | CA, USA |
| Blower selection button | Sengoku Densyo Co., Ltd. | MS-358 (red) | Tokyo, Japan |
| Blower operationg lamp | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | DB-15-T-OR | Tokyo, Japan |
| Blower start button | Sengoku Densyo Co., Ltd. | MS-350M (white) | Tokyo, Japan |
| Timer | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | SH16K4A105L20KC | Tokyo, Japan |
| Power supply switch | Marutsuelec Co., Ltd. | 3010-P3C1T1G2C01B02BKBK-EI | Tokyo, Japan |
| Power supply lamp | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | DB-15-T-G | Tokyo, Japan |
| OLED module | Akihabara Co., Ltd. | M096P4W | Tokyo, Japan |
References
- Byeon, J., Kang, K. H., Jung, H. K., Suh, J. K. Assessment for Quantification of Biopharmaceutical Protein Using a Microvolume Spectrometer on Microfluidic Slides. Biochip Journal. 11 (1), 21-29 (2017).
- You, C. C., et al. Detection and identification of proteins using nanoparticle-fluorescent polymer 'chemical nose' sensors. Nature Nanotechnology. 2 (5), 318-323 (2007).
- Nonaka, H., Hideno, A. Quantification of cellulase adsorbed on saccharification residue without the use of colorimetric protein assays. Journal of Molecular Catalysis. 110, 54-58 (2014).
- Thongboonkerd, V., Songtawee, N., Kanlaya, R., Chutipongtanate, S. Quantitative analysis and evaluation of the solubility of hydrophobic proteins recovered from brain, heart and urine using UV-visible spectrophotometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 384 (4), 964-971 (2006).
- Nakashima, N., Okuzono, S., Murakami, H., Nakai, T., Yoshikawa, K. DNA dissolves single-walled carbon nanotubes in water. Chemistry Letters. 32 (8), 782-782 (2003).
- Ishibashi, Y., Ito, M., Homma, Y., Umemura, K. Monitoring the antioxidant effects of catechin using single-walled carbon nanotubes: Comparative analysis by near-infrared absorption and near-infrared photoluminescence. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces. , 139-146 (2018).
- Zheng, M., et al. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes. Nature Materials. 2 (5), 338-342 (2003).
- Hughes, M. E., Brandin, E., Golovchenko, J. A. Optical absorption of DNA-carbon nanotube structures. Nano Letters. 7 (5), 1191-1194 (2007).
- Zhao, W., Song, C. H., Pehrsson, P. E. Water-soluble and optically pH-sensitive single-walled carbon nanotubes from surface modification. Journal of the American Chemical Society. 124 (42), 12418-12419 (2002).
- Koh, B., Park, J. B., Hou, X. M., Cheng, W. Comparative Dispersion Studies of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solution. Journal of Physical Chemistry B. 115 (11), 2627-2633 (2011).
- Nakayama, T., Tanaka, T., Shiraki, K., Hase, M., Hirano, A. Suppression of single-wall carbon nanotube redox reaction by adsorbed proteins. Applied Physics Express. 11 (7), 075101-075101 (2018).
- Zeranska-Chudek, K., et al. Study of the absorption coefficient of graphene-polymer composites. Scientific Reports. 8, 9132-9132 (2018).
- Laptinskiy, K. A., et al. Adsorption of DNA Nitrogenous Bases on Nanodiamond Particles: Theory and Experiment. Journal of Physical Chemistry C. 122 (20), 11066-11075 (2018).
- Jena, P. V., Safaee, M. M., Heller, D. A., Roxbury, D. DNA-Carbon Nanotube Complexation Affinity and Photoluminescence Modulation Are Independent. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (25), 21397-21405 (2017).
- Ohfuchi, M., Miyamoto, Y. Optical properties of oxidized single-wall carbon nanotubes. Carbon. 114, 418-423 (2017).
